25 Erdalkalimetalle (2. Hauptgruppe, 2. Gruppe)

25.1 Überblick

Elemente: Häufigkeit in der Erdrinde:

Beryllium (Be) 48.Magnesium (Mg) 8.Calcium (Ca) 5.

Strontium (Sr) 22.

Barium (Ba) 18.Radium (Ra) 84.

Alkalische Erden: Al2O3, MgO, CaO(früher alle Oxide von Tonerde abgeleitet)

Valenzelektronenkonfiguration: n s² Oxidationszahl: +II

Metalle, stark elektropositiv

Dichte: ρ < 3,5 g/cm³ Leichtmetalle

reaktionsfähig, starke Reduktionsmittel

Magnesium -2,36Calcium -2,87Strontium -2,89

Barium -2,90

Beryllium ist Aluminium ähnlicher (Schrägbeziehung)

E0[V]Beryllium -1,70 Sonderstellung!

geringe Unterschiede!

rIon[Å]Beryllium 0,31

Magnesium 0,65

Aluminium 0,50

25.2 Vorkommen

Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]

Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome

Smaragd

25.2 Vorkommen

Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]

Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome

Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan

Aquamarin

25.2 Vorkommen

Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]

Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome

Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan

Magnesit - MgCO3

MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %

Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2

Dolomit

25.2 Vorkommen

Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]

Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome

Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan

Magnesit - MgCO3

MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %

Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2

CaCO3 - Calcit (Kalkspat)

Calcitkugel, Kalkspat, CaCO3

25.2 Vorkommen

Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]

Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome

Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan

Magnesit - MgCO3

MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %

Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2

CaCO3 - Calcit (Kalkspat)

- Kalkstein

- Sedimentäre Ablagerungen im Meer

Versteinerter Ammonit auf Kalkstein

25.2 Vorkommen

Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]

Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome

Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan

Magnesit - MgCO3

MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %

Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2

CaCO3 - Calcit (Kalkspat)

- Kalkstein

- Sedimentäre Ablagerungen im Meer

- Baumaterial schon im Altertum (Cheops - Pyramide)

- Tropfsteinhöhlen (Langsamer Zerfall von Ca(HCO3)2)

Die Entstehung von Tropfsteinen

25.2 Vorkommen

Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]

Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome

Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan

Magnesit - MgCO3

MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %

Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2

CaCO3 - Calcit (Kalkspat)

- Kalkstein

- Sedimentäre Ablagerungen im Meer,

- Baumaterial schon im Altertum (Cheops - Pyramide)

- Tropfsteinhöhlen (Langsamer Zerfall von Ca(HCO3)2)

- Stalagmite :↑

Stalagmiten

25.2 Vorkommen

Beryll - 3 BeO • Al2O3 • 6 SiO2 = Be3Al2[Si6O18]

Smaragd - grün, durch Chrom - Fremdatome

Aquamarin - blau, durch Eisen und Titan

Magnesit - MgCO3

MgCl2 - im Meerwasser bis 15 %

Dolomit - CaCO3 • MgCO3 = CaMg(CO3)2

CaCO3 - Calcit (Kalkspat)

- Kalkstein

- Sedimentäre Ablagerungen im Meer,

- Baumaterial schon im Altertum (Cheops - Pyramide)

- Tropfsteinhöhlen (Langsamer Zerfall von Ca(HCO3)2)

- Stalagmite :↑ Stalagtite : ↓

- Marmor

- aus Kalkstein unter hohem Druck (Metamorphose)

- Kreide

- Kreidefelsen auf Rügen

Kreidefelsen auf Rügen

- Marmor

- Aus Kalkstein unter hohem Druck (Metamorphose)

- Kreide

- Kreidefelsen auf Rügen

Gips - CaSO4 • 2 H2O

Anhydrit - CaSO4

Apatit - Ca3(PO4)2

Flussspat (Fluorit) - CaF2

Fluorit, Flussspat, CaF2

Fluorit unter langwelligem UV-Licht

- Marmor

- Aus Kalkstein unter hohem Druck (Metamorphose)

- Kreide

- Kreidefelsen auf Rügen

Gips - CaSO4 • 2 H2O

Anhydrit - CaSO4

Apatit - Ca3(PO4)2

Flussspat (Fluorit) - CaSO4 • 2 H2O

Fluoreszenz:

- Anregung (Vis, UV, Röntgenstrahlung, e-)

- Abgabe von Strahlung (meist niedrigerer Energie, d.h. längerer Wellenlänge)innerhalb von 10-10 bis 10-7 Sekunden

- Fluorochrome oft mit aromatischen Ringsystemen mit delokalisierten e-

in bindenden π-Orbitalen

Fluoreszierende Moleküle

Experiment:

- Fluoreszenz Fluorit UV-Lampe:

- Briefmarken- Geld- Ausweis- Tonic (Chinin)- Fluorescein- DNA-Farbstoffe

• Interpretation mit dem Jablonski-Diagramm → Seminar

Schwerspat - BaSO4

Phosphoreszenz:

- erfolgt vom längerlebigen Triplettzustand

- geringe Emissionsraten

- längere Abklingzeiten (≥ 10-3 Sekunden)

Baryt, Schwerspat, BaSO4

• Interpretation mit dem Jablonski-Diagramm

Schwerspat - BaSO4

Phosphoreszenz:

- erfolgt vom längerlebigen Tripletzustand

- geringe Emissionsraten

- längere Abklingzeiten (≥ 10-3 Sekunden)

- Röntgenkontrastmittel

Bariumsulfat in Röntgenkontrastmitteln

SkelettDickdarm

Blinddarm (Wurmfortsatz)

Die violetten Zonen entsprechen der Absorption von Röntgenstrahlen durch Barium Röntgenaufnahme des Darmtrakts

• Interpretation mit dem Jablonski-Diagramm

Schwerspat - BaSO4

Phosphoreszenz:

- erfolgt vom längerlebigen Tripletzustand

- geringe Emissionsraten

- längere Abklingzeiten (≥ 10-3 Sekunden)

- Röntgenkontrastmittel

Radium - bei der Aufarbeitung von Uranerz (Pechblende)

- 10000 t für 1 g Radium

- Radius (lat.) ≙ Strahl

- 2 Eisenbahnwaggons – 100 mg RaBr2

- Marie Curie: 2x Nobelpreis

Marie Curie (1867 – 1934)

• Interpretation mit dem Jablonski-Diagramm

Schwerspat - BaSO4

Phosphoreszenz:

- erfolgt vom längerlebigen Tripletzustand

- geringe Emissionsraten

- längere Abklingzeiten (≥ 10-3 Sekunden)

- Röntgenkontrastmittel

Radium - bei der Aufarbeitung von Uranerz (Pechblende)

- 10000 t für 1 g Radium

- Radius (lat.) ≙ Strahl

- 2 Eisenbahnwaggons – 100 mg RaBr2

- Marie Curie: 2x Nobelpreis

- 1x mit Mann und Becquerel (Physik)

- 1x in Chemie

- 1 Curie ≙ Aktivität von 1 g Ra pro Sekunde

25.3 Darstellung

- Elemente durch Schmelzflusselektrolyse der Chloride (teilweise Fluoride)

z.B. MgCl2 Mg + Cl2700 – 800 °C

Elektrolyse

- BeF2 + Mg Be + MgF2 im Graphittiegel1300 °C

- aluminothermisch

4 CaO + 2 Al Ca[Al2O4] + 3 Ca1200 °C

≙

CaO • Al2O3

25.4 Eigenschaften und Reaktionen

- Basischer Charakter der Hydroxide:

- Reaktion mit Wasser: Be - Passivierung

Mg - ebenfalls Passivierung, in der Hitze und in größeren

Mengen jedoch Reaktion

Ca - reagiert bei Zimmertemperatur

Experiment:

- Calcium reagiert bei Zimmertemperatur mit Wasser:

Ca + 2 H2O Ca(OH)2 + H2

Experiment:

- Leichtmetallbrände nicht mit Wasser löschen!

- Magnesiumbrand + Wasser

25.4 Eigenschaften & Reaktionen

- Basischer Charakter der Hydroxide:

- Reaktion mit Wasser: Be - Passivierung

Mg - ebenfalls Passivierung, in der Hitze und in größeren

Mengen jedoch Reaktion

Ca - reagiert bei Zimmertemperatur

- Elektronen sind leicht anregbar

Experiment:

- Flammenfärbungen: Ca2+ ziegelrot

Sr2+ karminrot

Ba2+ grün

- Sulfate vorher reduzieren

25.4 Eigenschaften & Reaktionen

- Basischer Charakter der Hydroxide:

- Reaktion mit Wasser: Be - Passivierung

Mg - ebenfalls Passivierung, in der Hitze und in größeren

Mengen jedoch Reaktion

Ca - reagiert bei Zimmertemperatur

- Elektronen sind leicht anregbar

- Löslichkeit der Salze

Experiment:

- Auflösen von:

Calciumchlorid (CaCl2) und Calciumchlorid-Hexahydrat (CaCl2 • 6 H2O)

Erwärmung Abkühlung(mit Eis-Kältemischungen bis -55 °C)

25.4 Eigenschaften & Reaktionen

- Basischer Charakter der Hydroxide:

- Reaktion mit Wasser: Be - Passivierung

Mg - ebenfalls Passivierung, in der Hitze und in größeren

Mengen jedoch Reaktion

Ca - reagiert bei Zimmertemperatur

- Elektronen sind leicht anregbar

- Löslichkeit der Salze

M2+ (g) + A2- (g) M2+A2- (s)

Gitter --> Gitterenergie

- für die Zerstörung des Gitters wird Energie benötigt

M2+A2- + x H2O [M(H2O)y]2+ + [A(H2O)x-y]

2-

- bei der Hydration wird Energie frei

Hydrationsenthalpie

CaCl2 - wasserfrei : |Hydrationsenthalpie| > |Gitterenthalpie|

--> Erwärmung

CaCl2 • 6 H2O : |Hydrationsenthalpie| < |Gitterenthalpie|

Wärme aus der Umgebung --> Abkühlung

Löslichkeit:

Mg2+

Ca2+

Sr2+

Ba2+

HydroxideChromateSulfate

Ursache: |Gitterenergie| bei kleinen Ionen am größten,aber die |Hydrationsenthalpie| ist ebenfalls hoch

- Zunahme der |Gitterenergie| mit der Ionenladung

NO3---> Löslichkeit: > SO4

2- > PO43-

25.5 Bedeutung und Verwendung

Beryllium: - Fenster in Röntgenröhren

- Legierungsbestandteil --> hart, aber elastisch (Uhrenfedern)

- neutronenbremsend

Magnesium: - Verwendung als Reduktionsmittel

Experiment:

- Einsatz als Reduktionsmittel in Blitzlichtpulvern (früher)

- Legierungsbestandteil mit Aluminium und Lithium (SATURN-V-Rakete)

- Chlorophyll

Das Chlorophyllmolekül

Kopf des Moleküls

Stickstoffatom

Magnesiumatom

Porphyrin-ring

25.5 Bedeutung & Verwendung

Beryllium: - Fenster in Röntgenröhren

- Legierungsbestandteil --> hart, aber elastisch (Uhrenfedern)

- neutronenbremsend

Magnesium: - Verwendung als Reduktionsmittel

Experiment:

- Einsatz als Reduktionsmittel in Blitzlichtpulvern (früher)

- Legierungsbestandteil mit Aluminium und Lithium (SATURN-V-Rakete)

- Chlorophyll

Calcium: - Baustoffe

Calciumcarbonat (CaCO3)

Kalkbrennen: CaCO3 CaO + CO2

Kalkstein Branntkalk

- Durchführung in Kalk-(schacht)öfen

Kalkschachtöfen

Kalklöschen: CaO + H2O Ca(OH)2

Löschkalk

Abbinden: Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

GipsCaSO4 • 2 H2O

120 – 130 °Cgebrannter GipsCaSO4 • ½ H2O

(Volumenzunahme beim Abbinden)

130 – 180 °C

StuckgipsCaSO4 • (0,2 – 0,5) H2O

500 °C

„totgebrannter Gips“CaSO4

(keine Abbindefähigkeit mehr)

800 - 900 °C

Estrichgips

(Abbindefähigkeit durch CaO – Bildung beim thermischen Zerfall)

> 1200 °C

CaO + ½ O2 + SO2 --> Schwefelsäureproduktion

Wasserhärte

- Gesamtgehalt an Erdalkalisalzen

--> Ca2+ , Mg2+ , HCO3- , SO4

2- , Cl-

- bezogen auf CaO: 1 °dH ≙ 10 mg CaO pro Liter

Experiment:

- bidestilliertes Wasser

- Golmer Wasser

- CaCl2 – Zusatz zum Wasser

Zugabe von SeifeHärte

--> Schaumbildung nimmt ab

--> Trübung (Niederschlagsbildung nimmt zu, Kalkseife)

Wasserhärte

- Gesamtgehalt an Erdalkalisalzen

--> Ca2+ , Mg2+ , HCO3- , SO4

2- , Cl-

- bezogen auf CaO: 1 °dH ≙ 10 mg CaO pro Liter

Temporäre Härte (Carbonathärte)

Experiment:

CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2 HCO3-

- Wärme verschiebt das Gleichgewicht nach links

Permanente Härte (Sulfat- und Chloridhärte)

- Calcium- und Magnesiumsalze sind nicht durch Kochen fällbar

- meist 70 – 85 % Calciumhärte

und 30 – 15 % Magnesiumhärte

--> Kesselsteinbildung, Störung von Waschvorgängen